Внутренняя организация ЭВМ — Структура процессора — Устройство

Внутренняя организация ЭВМ - Структура процессора - Устройство управления - Арифметико-логическое устройство - Память

Основные принципы устройства и функционирования ЭВМ Структура ЭВМ АЛУ УВв ЗУ УУ УВыв • блок для выполнения арифметических и логических операций (АЛУ - арифметикологическое устройство); • блок для хранения информации или память (ЗУ – запоминающее устройство); • устройство для ввода исходных данных (УВв) и для вывода результатов (УВыв); • устройство для управления блоками ЭВМ (УУ – устройство управления)

Основные принципы устройства и функционирования ЭВМ Структура ЭВМ Элементы современных ЭВМ: • Центральный процессор (ЦП) - устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. • Оперативное запоминающие устройство (ОЗУ) - предназначено для приема, хранения и выдачи информации необходимой для выполнения операций в ЦП. • ВЗУ – запоминающие устройство, предназначенное для хранения больших массивов информации, обычно ВЗУ строятся на разновидностях магнитных носителей. В современных ЭВМ в качестве ЗУ используется комбинация ОЗУ с ВЗУ, которая называется виртуальная память.

Что такое центральный процессор? Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Основными блоками процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и несколько ячеек внутренней памяти – регистров. В регистрах хранятся команды, данные, адреса. АЛУ выполняет числовые и логические операции с данными в соответствии с кодом команды, хранящимся в регистре команд (сложение, сравнение и т. п. ). УУ с помощью набора управляющих сигналов организует согласованную работу всех блоков процессора и управляет передачей адресов, команд и данных в процессоре, управляет взаимодействием процессора с «внешним миром» .

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции. АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление, . . . ). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ, . . . ). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.

Структура АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры. Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части : 1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд); 2. операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Структура АЛУ Рисунок 1.

Структура АЛУ Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 1. В состав АЛУ входят регистры Рг 1 - Рг 7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N 1, N 2, . . . NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Закон переработки информации задает микропрограмма , которая записывается в виде последовательности микрокоманд A 1, A 2, . . . , Аn -1, An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A 1, A 2, . . . , Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p 2, . . . , рm.

Структура АЛУ Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, . . . , уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ: Рг 1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений; Рг 2, Рг. З - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции); Рг 4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата; Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов; Рг 7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов. Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся: сумматор, индексные регистры, некоторые вспомогательные регистры.

Структура АЛУ Остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре. АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования "операция / режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Классификация АЛУ По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. - В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. - В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов. По способу представления чисел различают АЛУ: • для чисел с фиксированной точкой; • для чисел с плавающей точкой; • для десятичных чисел.

Классификация АЛУ По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметическологическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

Арифметико-логическое устройство Арифметикo-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функциональная схема АЛУ ü Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. ü Регистры быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr 1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr 2)-разрядность слова.